Kondensatoren Kondensatoreneinheiten für Bordnetzumrichter in modernen Zügen

Autor / Redakteur: Dirk Hermann * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Kondensatoren in Bordnetzumrichtern von Zügen müssen höchsten Anforderungen gerecht werden. Worauf es dabei ankommt, erfahren Sie in diesem Beitrag am Beispiel der neuen S-Bahn-Züge in Hamburg.

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Ohne Strom kein Betrieb: Bordnetzumrichter in den neuen Zügen der S-Bahn Hamburg stellen die Stromversorgung sicher.
Ohne Strom kein Betrieb: Bordnetzumrichter in den neuen Zügen der S-Bahn Hamburg stellen die Stromversorgung sicher.
(Bild: Bombardier)

Ohne Strom rollt kein moderner Zug – aber auch in den Schienenfahrzeugen selbst gibt es viele Systeme, die auf eine zuverlässige Energieversorgung angewiesen sind: Als Beispiele sind hier unter anderem Beleuchtung, Klimaanlagen und Fahrgastinformationssysteme zu nennen.

In den neuen Fahrzeugen der S-Bahn Hamburg werden Bordnetzumrichter der Marke Knorr-Bremse PowerTech dafür sorgen, dass nie ungeplant das Licht ausgeht. Ausgerüstet sind die Systeme mit maßgefertigten Kondensatoreneinheiten des Husumer Unternehmens FTCAP. Die Marke Knorr-Bremse PowerTech kombiniert seit 2014 das Knowhow der zwei führenden mittelständischen Hersteller für Hilfsbetriebeumrichter, der Transtechnik GmbH & Co. KG und der PCS Power Converter Solutions GmbH.

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Die Unternehmensgruppe steht für die zukunftsweisende Bordnetzversorgung von Schienenfahrzeugen aller Art: Mehr als 500 Mitarbeiter entwickeln und fertigen verschiedene Typen von Bordnetzumrichtern für Nahverkehrsfahrzeuge und Vollbahnen sowie elektrische Energieversorgungssysteme, Vormontagebaugruppen und elektrische Ausrüstungen. Auf Basis des breiten Portfolios bewährter Produkte entwickeln die Experten die passende Lösung für die spezifischen Anforderungen – weltweiter Service inklusive.

„Energieversorgungssysteme liefern den Verbrauchern in Schienenfahrzeugen die notwendige Energie, von der Klimaanlage bis zur Bistroausrüstung“, erläutert Martin Kutschker, Leiter F&E/R&D bei der KB-PowerTech. „Da die Zahl der Verbraucher an Bord wegen steigender Komfort- und Sicherheitsansprüche steigt, hat der Markt ein weltweites großes Wachstumspotenzial.“ Eines der laufenden Projekte von Martin Kutschker ist ein Bordnetzumrichter, der in S-Bahn-Fahrzeugen vom Typ „ET 490“ eingesetzt werden soll.

Die S-Bahn Hamburg GmbH hat beim Hersteller Bombardier Transportation 60 neue S-Bahn-Züge dieses Typs bestellt. Ein erster Einsatz der energiesparenden Neufahrzeuge ist im Rahmen eines ausgiebigen Probebetriebs ab Ende 2016 vorgesehen.

Hohe Anforderungen an die Kondensatoren

Der Bordnetzumrichter hat die Aufgabe, das AC-Netz der neuen S-Bahn-Fahrzeuge mit Energie zu versorgen; er wird von KB-PowerTech als komplettes Bauteil für den Einbau in einen Unterflur-Container geliefert. Die Lösung zeichnet sich durch einen weiten Eingangsspannungsbereich aus – die Speisung kann entweder aus einem Traktions-Zwischenkreis mit 1800 VDC oder aus einer dritten Schiene mit 1200 VDC erfolgen.

Bei kompakter Bauweise ermöglicht der Umrichter eine hohe Ausgangsleistung von 160 kVA. Eine Flüssigkeitskühlung sorgt für eine effiziente und optimale Bauraumnutzung. Die Leistungsmodule sind gut zugänglich und erlauben so eine einfache Wartung und Instandhaltung.

Eine wichtige Aufgabe in den Bordnetzumrichtern übernehmen die verbauten Kondensatoren. Sie fungieren im Gesamtsystem als Zwischenkreiskondensatoren – das bedeutet, dass sie für eine konstante Spannung sorgen und bei Bedarf Strom liefern.

Die Liste mit Anforderungen, die im vorliegenden Fall an die Kondensatoren gestellt wurden, war lang: „Wichtig waren uns vor allem eine gute thermische Anbindung an den Kühlkörper sowie ein einfacher, aber robuster mechanischer Aufbau. Die Kondensatoren sollten rüttelfest, kompakt und leicht zu montieren sein“, schildert Martin Kutschker.

„Gleichzeitig wünschten wir uns, dass die Kondensatoren in einem Gehäuse mit integrierten Busbars seriell angeordnet sind.“ Zudem sollten sie selbstverständlich den elektrotechnischen Anforderungen genügen – dazu hatte KB-PowerTech zu erfüllende Werte bezüglich der Ripplestrombelastbarkeit, Spannungsbeanspruchung, Verlustleistung und Kapazität definiert.

Eine Sonderlösung für die einfache Montage

Bei der Wahl des geeigneten Lieferanten für die Kondensatoren mussten die Experten von KB-PowerTech nicht lange überlegen. In Entwicklungsprojekten mit vergleichbaren Anforderungen hatte man bereits gute Erfahrungen mit Kondensatoren von FTCAP gemacht. KB-PowerTech setzt die Lösungen von FTCAP bereits seit 1998 ein.

Nicht ohne Grund: Der Husumer Kondensatorenspezialist hat sich auf Sonderlösung für besondere Anwendungen spezialisiert – dazu gehört auch die Bahntechnik. „In dieser Branche beliefern wir seit Jahren namhafte Firmen“, erzählt Dr. Thomas Ebel, Geschäftsführer der FTCAP GmbH. „Mit unserem enormen Erfahrungsschatz lösen wir die typischen Probleme dieser Anwendung. So können wir zum Beispiel enge Einbausituationen berücksichtigen oder Kondensatoren besonders rüttelfest machen.“

In einem Bordnetzumrichter von KB-PowerTech werden insgesamt drei Kondensatoreneinheiten eingesetzt, die wiederum aus vielen einzelnen, intern verschalteten Filmkondensatoren bestehen. Das reduziert den Beschaffungsaufwand für KB-PowerTech signifikant – denn die Einzelkondensatoren, die Busbars und das Befestigungsmaterial müssen so nicht mehr einzeln gekauft werden. Auch die Verschaltung der einzelnen Kondensatoren entfällt.

„Gerade die Verschaltung ist eine potenzielle Fehlerquelle, die dank unserer Sonderlösung komplett entfällt“, betont Dr. Ebel. „Der Kunde erhält eine Art Black Box mit Anschlüssen, er muss sich um nichts weiter kümmern. Die Lösung ist komplett von uns getestet und lässt sich mit wenigen Handgriffen einbauen.“

Optimale Kühlung und Rüttelfestigkeit

Bei der Konzeption der Kondensatoren stellten die hohen Ströme in Kombination mit den Umgebungstemperaturen von >70 °C die größte Herausforderung dar. Die Einheiten wurden zudem sehr niederinduktiv aufgebaut, um höhere Schaltfrequenzen abdecken zu können. Auch ermöglicht eine spezielle Konstruktion eine optimale Wärmeabgabe an den Kühlkörper: FTCAP arbeitete hier u.a. mit besonderen Materialien und speziellen Wickelaufbauten.

Außerdem wurde der Kondensator von den FTCAP-Entwicklungsingenieuren so konstruiert und verstärkt, dass er den hohen Ansprüchen an die Vibrationsfestigkeit gerecht wird. So zeichnet sich der Innenaufbau des Kondensators durch eine solide Verlötung und optimal angeordnete Einzelwickel aus. „Gerade bezüglich der Rüttelfestigkeit haben wir durch intensive Forschung Mittel und Wege gefunden, um optimale Werte zu gewährleisten“, erläutert Ebel.

Basis jeder vibrationsfesten Sonderlösung sind Kondensatorengehäuse aus Edelstahl, Aluminium oder auch Kunststoff, die extremen Bedingungen trotzen und sich gleichzeitig flexibel gestalten und anpassen lassen. Auf Kundenwunsch sind zudem spezielle Wickelaufbauten, Kontaktierungen und Befestigungen möglich – so kann die Befestigung je nach Einbaubedingung durch das Gehäuse oder direkt am Gehäuse gelöst werden. Durch diese Maßnahmen sind die Film-Kondensatoren von FTCAP auch für hohe g-Kräfte geeignet.

Noch sind die Bordnetzumrichter für die neuen Hamburger S-Bahnfahrzeuge nicht serienreif. Derzeit testet KB-PowerTech, wie sich die Kondensatoreneinheiten im Zusammenspiel mit dem Gesamtsystem verhalten. „Die kritischen Tests wie zum Beispiel bezüglich S&V, elektromagnetischer Verträglichkeit und Temperatur wurden allesamt bestanden“, freut sich Martin Kutschker.

„In der Entwicklungsphase fand mit FTCAP ein sehr intensiver und fruchtbarer technischer Austausch statt, der sich jetzt auszahlt.“ Ab 2018 werden die S-Bahnzüge des Typs ET 490 dann im Regelbetrieb eingesetzt – aber bis dahin arbeiten FTCAP und PowerTech sicherlich schon längst an neuen gemeinsamen Projekten.

* Dirk Hermann ist Vertriebsleiter der FTCAP GmbH in Husum.

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